KR100272993B1 - 초음파치료장치 - Google Patents

Abstract

이 발명은 낮은 주파수의 초음파 에너지를 사용하여 인체표면구역에서의 과도한 에너지 흡수없이 깊은 곳에 자리한 근육부상의 치료 또는 골절진단을 효과적으로 할 수 있도록 된 장치에 관한 것이다. 이 장치는 출력부 4를 거쳐 플라스틱 헤드 6에 전달되는 초음파 에너지를 생성시키도록 된 압전 발진기를 포함한다. 헤드 6의 형상은 이 헤드를 사용할 임의의 신체부위에 맞추어 변형설계될 수 있다. 헤드의 재료 및 형태는 초음파의 주파수 및 진폭을 정밀제어할 수 있도록 선택된다. 바람직한 초음파 주파수는 20∼120 kHz 범위내이다.

Description

초음파치료장치

제1도는 헤드내에서의 파의 진행과 트랜스듀서 및 헤드를 통한 속도 및 응력 분포를 나타낸 도표.

제2도는 압전 트랜스듀서 및 헤드 조합체의 도식적인 정면도.

제3도∼제7도는 본 발명에 따른 장치에 사용되는 헤드의 여러가지 실시예들을 보인 발췌도들.

제8도는 상기 트랜스듀서 및 헤드의 구동을 위한 전기 회로도.

제9도는 본 발명에 따른 장치로서 가속도계(accelerometer)를 구비한 장치의 단면도.

제10도∼제11도는 부상당한 손의 치료를 위해 만들어진 장치의 한 예를 보여주는 사시도들이다.

제2도에는 배판 5, PZT 세라믹 링 2(압전 트랜스듀서 수단), 전극 3 및 단차진 출력부 4를 포함하는 음파 발진기 1이 도시되어 있다. 이 발진기는 설정된 주파수의 파를 소정형상의 플라스틱 헤드 6을 통해 연결매체 7을 거쳐 조직 8내부로 전파한다. 제1도에는 이 장치내의 파형이 도시되어 있다. 상기 트랜스듀서내에는 정재파가 출력진폭으로 형성된다. 이 적재파는 소정형상의 치료 헤드 6을 통해 전파되며 진폭 ε_LM을 가지는 한 진행파로 나오게 된다. 이 파의 플라스틱 헤드내에서의 속도 및 파압은 치료진행중에 비교적 일정한 것으로 나타난다. 따라서 이들은 피시술자에게 전달되는 에너지를 위한 진행파 크기를 나타낸다. 이러한 상황의 형성은 트랜스듀서/헤드 경계역에서의 파의 반향 및 헤드/조직 경계역에서의 파의 거의 완전한 전달에 기인한다. 헤드의 형상은 적어도 제3도∼제7도에 도시된 예들과 같이 변형설계될 수 있다. 이러한 특징은 파의 진동수 및 진폭의 정밀제어를 가능하게 하여 주는, 헤드구성용으로 선택된 플라스틱들의 특성을 반영한 것이다. 주어진 트랜스듀서 크기하에서, 헤드는 제어된 출력을 유지하면서 광범위하게 변형설계될 수 있다.

치료진행중 주제의 조직에 전달되는 에너지는 정재파를 야기하지 않아야 하는데, 그 이유는 상기 정재파가 과도한 국부흡수를 일으킬 수 있기 때문이다. 이는 통상적으로, 상기 헤드를 치료진행중 조직표면상에서 운동시켜줌으로써 방지될 수 있다. 그러나, 손이나 다른 접근이 어려운 신체구역에 있어서는 그러한 운동이 해당 신체구역 특유의 헝태에 의해 방해를 받게 되므로, 다른 대안이 마련되어야 한다. 헤드의 광대역 전파 특성은 도시된 장치로부터 파생된 주파수변조의 채용을 가능하게 하여 준다.

플라스틱의 사용으로부터 도출되는 또 다른 이점은, 헤드를 교체식으로하여 예컨대 손 및 발과 같은 접근이 어려운 신체구역에 최적의 접촉을 제공하는 형태로 만들어진 헤드를 선택사용할 수 있는 것이다. 예컨대 심한 류머티성 관절염의 경우 헤드는 환자가 손에 쥐었을 때 손 관절들의 전반치료를 동시에 가능하게 하는 손잡이 형태로 몰드성형될 수 있다. 이는 제10도, 제11도에 그 예가 도시되어 있다. 배터리수단 또는 기타의 휴대가능한 전원으로부터 작동전원이 공급될 수 있도록 만들면, 트랜스듀서를 지팡이의 몸통에 내장하고 이 지팡이의 손잡이를 상기 취지의 헤드로 구성하여 사용할 수 있다.

본 발멍은 부상구역에 대해 적정의 에너지를 안전하게 전달시킴으로써 깊은 곳에 자리한 연조직 부상치료에 대해 개선된 방법 및 수단을 제공한다. 본 발명은 피부를 횡단하지 않고도 에너지의 양호한 전달을 가능하게 하는 몰드성형 또는 기계가공된 헤드를 사용하여 불규칙한 형태의 신체구역에 대한 개선된 치료수단을 제공한다.

본 발명에 따르면, 환자에게 전달되는 치료력을 모니터할 수 있는 주요 장점을 가진 장치가 제공된다.

전달 초음파의 강도 I는 진폭변위 ε에 대하여, I=½ ρcω²εO²의 관계를 가지는 것으로 알려져 있다. 상기 식에서 ρ는 헤드재료의 밀도, C는 위상속도, ω는 2πf로 정의되는 각진동수(angular frequency)이다.

ρc는, 설계에 의해 치료대상 조직의 그것에 맞추어진 헤드재료의 파동 임피던스이기 때문에 I는 εO²에 비례한다. 치료헤드내에서의 진폭변위를 모니터하면, 미분증폭기(differentiating amplifier)를 사용하여 진폭변위 및 세기에 비레하는 선형 시그널을 얻어내는 것은 비교적 쉬운 일이다. 이 방법은, 트랜스듀서에 대한 전기적 시그널을 모니터하는 현재의 기술보다 훨씬 더 큰 신뢰도를 제공한다. 트랜스듀서에 대한 전기적 시그널을 모니터하는 경우, 트랜스듀서 성능의 어떠한 변화도 치료력 측정에러를 야기하게 된다. 제9도에는 변위 샌서 또는 가속도계를 구비한 형태의 헤드가 도시되어 있다. 이는, 환자에게 전달된 초음파의 진폭변위를 측정할 수 있게 하여 준다. 측정치는 표시수단으로 전달되어 사용자가 이를 보고 입력파워를 제어할 수 있다. 선택적으로, 변위 센서의 출력이 입력파워를 직접 제어하는 데에 사용되도록 할 수도 있다.

본 발멍은 초음파 치료장치에 관한 것이다.

스캐닝 진단술 및 특정 병세의 치료조치에 초음파를 사용하는 것은 지난 20∼30년동안 여러가지 기술문헌들을 통해 광범위하게 보고된 바 있다. 그러나, 30∼100 kHz 범위의 주파수를 가지는 초음파의 사용에 관해서는 연구보고된 바가 없다. 그동안 초음파치료에 관해 언구보고된 것들은 거의 예외없이 메가헤르츠(MHz) 주과수대의 사용에 관련된 것들이다. 이는, 초음파 에너지를 사용한 치료는 조직의 잘 한정된 구역에 정확히 가해져야 하고 이는 초점이 정밀하게 맞추어진 초음파비임에 의해 가장 잉호하게 달성되므로 높은 주파수의 초음파사용이 필요하다는 개념에 근거한 것이다. 초음파촬상을 위한 주파수대의 선택에도 유사한 논쟁들이 있다. 예컨대, 연조직을 통한 3 MHz 송파에 있어서 나타나는 특징적인 파장은 약 0.5mm이다. 그러나, 40 kHz대에서는 파장이 약 37.5mm로 된다.

나아가서, 초음파는 그 주파수가 커짐에 따라 감쇄현상이 증대하는 것으로 알려져 있다. 높은 주파수의 초음파 송파에 있어서 일반적으로 나타나는 특징은, 입사면과 근접한 곳에서 비교적 높은 에너지흡수율을 보이고 이 때문에 입사면으로부터 깊이 들어갈수록 그 작용력이 현저히 떨어진다는 것이다. 따라서, 어떤 주어진 입력파워에 있어서는 상응하는 낮은 주파수의 입력의 경우보다 피부에 인접한 조직에 대한 유해한 부작용의 가능성이 훨씬 더 크다고 할 수 있다. 깊은 곳에 있는 조직부상의 치료시에는 이러한 점에 대한 고려가 매우 중요하게 되는데, 이는 치료가 요구되는 구역까지 충분한 에너지를 전달하기 위해서는 메가헤르츠 주파수대의 초음파치료를 적용하는 경우 피부층 내에서의 과도한 에너지흡수가 불합리하게 커질 위험이 없기 때문이다. 이러한 이유로, 에너지 레벨은 그 입력파워의 크기가 3 watts/cm³를 초과하지 않아야 한다는 요건에 따라 제한된다.

사용주파수대를 30∼130 kHz 범위내에서 선택함으로서 깊은 곳의 근육 조직에 대한 파의 양호한 침투가 보장되고 또한 뼈조직에서 높은 감쇄를 보이는 것으로 알려진 주파수를 피할 수 있다.

이러한 형태의 치료경험의 결과, 그 특성상 접근이 어려운 신체구역, 특히 손 및 발과 같은 신체구역들에 대한 효과적인 치료법이 필요한 것으로 나타났다. 그러한 경우, 특별한 형태를 가진 치료 헤드가 부상관절의 치료에 큰 편의를 가져다 줄 수 있다. 그러한 치료상황의 경우에는 피부표면에 대한 치료 헤드의 반복적인 사이클운동이 어려을 수 있고, 따라서 다른 대체적인 기술을 통해 정재파의 헝성을 피해야 할 필요가 있는 것으로 인식되어 있다.

본 발명의 목적은 프로우브 접근방식(probe access)의 문제점을 해소함과 동시에 파의 침투, 치료강도 및 조직손상위험의 최소화간의 상관관계를 최적화할 수 있는 주파수의 초음파사용을 선택제공하는 데에 있다.

본 발명의 한 태양에 따르면, 피부안쪽의 근육부상치료나 골절진단을 위한 장치로서 20∼120 kHz 범위의 주파수로 초음파 에너지를 발생시키는 압전수단과, 신체표면에 잘 부합접촉될 수 있도록 만들어진 헤드수단과, 상기 초음과 에너지를 헤드수단 및 이 헤드수단을 통해 신체내부로 전달하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치가 제공된다.

여기에서 채용된 주파수범위는, 통상적인 높은 주파수대의 초음파방사의 경우에 일어날 수 있는 피부조직에 대한 손상을 초래함이 없이 깊은 곳에 자리한 부상부위들에 대한 현저히 높은 에너지투여를 가능하게 하여 준다.

본 발명의 다른 태양에 따르면, 불규칙한 형태의 신체표면에 효과적으로 접촉될 수 있고 또 치료대상 조직부위에 대한 고른 분포의 에너지제공을 보장하는 몰드성헝된 플라스틱 헤드를 통해 낮은 주파수의 초음파를 도입시키는 방법이 제공된다.

헤드는 아세탈, 폴리프로필렌 및 폴리카아보네이트를 포함하여 밀도가 높은 폴리머로부터 기계가공되거나 몰드성형될 수 있다. 이들 및 유사재료들은 모두 30∼100 kHz 주파수 범위의 저진폭 초음파를 매우 낮은 에너지흡수율로 전파할 수 있다. 헤드는, 인체의 연조직의 그것과 가까운 특정 임피던스를 가지는 것으로 인해 선택된 플라스틱 재료로부터 가공성형된다. 예컨대 아세탈이 사용될 수 있는데, 이 경우 수치는 W아세탈 =1.86×10⁶kgm^-2sec^-1, W연조직 =1.65×10⁶kgm^-2sec^-1이 된다. 이는 헤드/조직접촉영역으로부터 공기를 배제시키는 거의 어떠한 유체를 사용하여서도 양호한 에너지전달을 가능하게 하여준다. 이러한 접근은 메가헤르츠 주파수대의 초음과방사에는 사용될 수 없음에 유의해야 하는데, 그 이유는 그러한 높은 주파수대에 있어서는 헤드재료내에서의 에너지흡수율이 매우 높아지기 때문이다.

이 기술을 이용한 지금까지의 임상시험결과, 발목염좌, 무릎통, 오통, 목 및 손목염좌, 경련성 근육연축 등과 관련한 통증을 신속감소시키는데에 효과적인 치료가 얻어지는 것으로 밝혀졌다.

본 발멍의 또 다른 태양에 따르면, 골절이 의심되는 부위에 대한 간단한 예비검사를 제공하기 위해 부상당한 팔다리에 저주파수의 초음파를 적용하는 방법이 제공된다.

미새한 금이 가있는 상태의 골절의 존재는 통상적으로는 방사선촬영에 의해 검색되어지는데, 고도의 X-레이 검사가 인체에 부정적인 영향을 가져오는 것이라면 뚜렷한 징후를 보이는 그러한 경우를 알아내기 위한 단순한 예비검사에 이를 사용하는 것에는 강한 의문이 있게 된다. 초음과가 미세균열이 있는 뼈조직을 통해 전파될 때 그 파는 뼈의 균열된 두 부분간의 접촉면에서, 전파매체의 기계적 불연속상태로 인한 부분적인 반사를 일으키게 된다. 그러나 일부 에너지는 부상부위에 흡수되어 통증의 국부적인 일시자각을 일으키게 되고, 이는 골절의 초기감지를 제공한다. 이러한 초기감지는 골절테스트를 위한 특벌한 시도가 아닌 부상부위에 대한 의례적인 치료조치로부터 얻어질 수 있음에 주목해야 한다.

이하에서 본 발명의 실시예들을 첨부도면들에 의거하여 예시적인 방법으로 더욱 상세히 설명한다. 도면중,

Claims (8)

1. 인체표면 안쪽의 근육부상을 치료하거나 골절을 진단하기 위한 초음파치료장치에 있어서, 20∼120 kHz 범위의 주파수로 초음파 에너지를 생성하는 압전수단과, 신체표면에 부합접촉될 수 있도록 만들어진 헤드수단과, 상기 초음파 에너지를 헤드수단 및 이 헤드수단을 통해 신체내부로 전달하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 초음파 치료장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 주파수가 30∼100 kHz 범위내인 것을 특징으로 하는 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 주파수가 약 40kHz인 것을 특징으로 하는 장치.
4. 선행항들중 어느 한 항에 있어서, 상기 헤드수단이 20∼120Hz 범위내의 주파수의 초음파 전파에 적합한 재료로 만들어지고 또 주어진 치료 상황에 적합한 형태로 만들어져 있는 것을 특징으로 하는 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 헤드수단이 아세탈, 폴리프로필렌 또는 폴리카아보네이트와 같은 소정 형상의 플라스틱 재료로 되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 헤드수단내에 이 헤드수단의 치료 표면에서의 진폭변위를 측정하기 위한 수단이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
7. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 헤드수단이 손안에 잡아 쥐기에 적합한 형태로 되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
8. 제7항에 있어서, 상기 헤드수단이 지팡이의 손잡이를 형성하고, 그 지팡이 몸통내에 압전수단이 내장되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.